Цвет и свет в компьютерной графике
Человек является трихроматом - сетчатка глаза имеет 3 вида рецепторов света, ответственных за цветное зрение (колбочки). Каждый вид колбочек реагирует на определенный диапазон видимого спектра. Отклик, вызываемый в колбочках светом определѐнного спектра называется цветовым стимулом , при этом свет с разными спектрами может иметь один и тот же цветовой стимул, и таким образом восприниматься одинаково человеком. Это явление называется метамерией - два излучения с разными спектрами, но одинаковыми цветовыми стимулами будут неразличимы человеком. Можно определить цветовое пространство стимулов как евклидово пространство, если задать координаты x, y, z в качестве значений стимулов, соответствующих отклику
колбочек длинно-волнового (L), средне-волнового (M) и коротко-волнового (S) диапазона оптического спектра. Начало координат (S, M, L) = (0, 0, 0) будет представлять чѐрный цвет.
Цветовая модель - это описание цветовых оттенков для представления на экране монитора и при печати на принтере.
Аддитивная цветовая модель RGB
Аддитивный (от англ. «add - «присоединять») цвет получается при объединении (суммировании) трех основных цветов - красного, зеленого и синего. Если интенсивность каждого из них достигает 100%, то получается белый цвет. Отсутствие всех трех цветов дает черный цвет.
стр. 2 из 15 |
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГЕОМЕТРИЯ И ГРАФИКА |
Аддитивную цветовую модель, используемую в компьютерных мониторах, принято обозначать аббревиатурой RGB (Red - красный, Green - зеленый, Blue
Синий). Изменяя интенсивность свечения цветных точек, можно создать большое многообразие оттенков.
красный + зеленый - желтый; красный + синий - пурпурный; зеленый + синий - голубой; красный + зеленый + синий = белый.
На рисунке показаны различные комбинации красного, зеленого и синего.
Формирование собственных цветовых оттенков в модели RGB
Графические редакторы, как правило, позволяют комбинировать требуемый цвет из 256 оттенков красного, 256 оттенков зеленого и 256 оттенков синего.
Таким образом, на экране компьютера можно получить 16 777 216 цветовых оттенков.
Диалоговое окно для формирования цветов в модели RGB программы
стр. 3 из 15 |
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГЕОМЕТРИЯ И ГРАФИКА |
Субтрактивная цветовая модель
В субтрактивной цветовой модели основными цветами являются голубой, пурпурный и желтый. Каждый из них поглощает (вычитает) определенные цвета из белого света, падающего на печатаемую страницу. Отсюда и название модели
Субтрактивная (от англ. « subtract* - «вычитать»). Вот как три основных цвета могут быть использованы для получения черного, красного, зеленого и синего цветов:
голубой + пурпурный + желтый = черный; голубой + пурпурный = синий; желтый + пурпурный = красный; желтый + голубой = зеленый.
Субтрактивное смешение цветов
Субтрактивная цветовая модель CMYK
Субтрактивную цветовую модель обозначают аббревиатурой CMYK (Cyan
Голубой, Magenta - пурпурный, Yellow - желтый, Black - черный. Чтобы не возникла путаница с «Вlue», для обозначения "Black" используется символ «К»).
Взаимосвязь аддитивной и субтрактивной цветовых моделей
Модель RGB работает с излучаемым светом, a CMYK - с отраженным. Если необходимо распечатать на принтере изображение, полученное на мониторе, специальная программа выполняет преобразование одной цветовой модели в другую.
CIE XYZ - линейная 3-компонентная цветовая модель, основанная на результатах измерения характеристик человеческого глаза. Построена на основе зрительных возможностей так называемого «стандартного наблюдателя», то есть гипотетического зрителя, возможности которого были тщательно изучены и
x = X/(X + Y + Z), y = Y/(X + Y + Z).
Обычно диаграмма Yxy используется для иллюстрации характеристик гамутов различных устройств воспроизведения цвета - дисплеев и принтеров.
Свойства диаграммы тональности
Свойства:
– На диаграмме представлены все цвета, видимые среднестатистическому человеку
– Все цвета, которые могут быть получены смешением любых двух, лежат на прямой между ними
– Все цвета, которые могут быть получены смешением трех цветов,
лежат внутри треугольника Смешивая три данных реальных источника света, невозможно получить все цвета, видимые человеком
Трехмерное пространство
L* - яркость (lightness)
– L* =0 черный
– L* = 100 белый
а* - положение между фиолетовым и зеленым
– а* < 0 фиолетовый
– а* > 0 зеленый
b* - положение между желтым и синим
– b* < 0 желтый
– b* > 0 синий
стр. 6 из 15 |
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГЕОМЕТРИЯ И ГРАФИКА |
HSV (англ. Hue, Saturation, Value - тон, насыщенность, значение) или HSB (англ. Hue, Saturation, Brightness - оттенок, насыщенность, яркость) - цветовая модель, в которой координатами цвета являются:
Шкала оттенков - Hue
Hue - цветовой тон, (например, красный, зелѐный или сине-голубой). Варьируется в пределах 0-360°, однако иногда приводится к диапазону 0-100 или 0-1.
Saturation - насыщенность. Варьируется в пределах 0-100 или 0-1. Чем больше этот параметр, тем «чище» цвет, поэтому этот параметр иногда называют чистотой цвета. А чем ближе этот параметр к нулю, тем ближе цвет к нейтральному серому.
Value (значение цвета) или Brightness - яркость. Также задаѐтся в пределах
Модель была создана Элви Реем Смитом, одним из основателей Pixar, в 1978 году. Она является нелинейным преобразованием модели RGB.
Следует отметить, что HSV (HSB) и HSL - две разные цветовые модели.
Трѐхмерные визуализации пространства HSV
Простейший способ отобразить HSV в трѐхмерное пространство - воспользоваться цилиндрической системой координат. Здесь координата H определяется полярным углом, S - радиус-вектором, а V - Z-координатой. То есть, оттенок изменяется при движении вдоль окружности цилиндра, насыщенность - вдоль радиуса, а яркость - вдоль высоты. Несмотря на «математическую» точность, у такой модели есть существенный недостаток: на практике количество различимых глазом уровней насыщенности и оттенков уменьшается при приближении яркости (V) к нулю (то есть, на оттенках, близких к чѐрному). Также на малых S и V появляются существенные ошибки округления при переводе RGB в HSV и наоборот.
стр. 7 из 15 |
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГЕОМЕТРИЯ И ГРАФИКА |
Другой способ визуализации цветового пространства - конус. Как и в цилиндре, оттенок изменяется по окружности конуса. Насыщенность цвета возрастает с отдалением от оси конуса, а яркость - с приближением к его основанию. Иногда вместо конуса используется шестиугольная правильная пирамида.
Визуализация HSV в прикладном ПО
Цветовой круг
Эта визуализация состоит из цветового круга (то есть, поперечного сечения цилиндра) и движка яркости (высоты цилиндра). Эта визуализация получила широкую известность по первым версиям ПО компании Corel. На данный момент применяется чрезвычайно редко, чаще используют кольцевую модель
стр. 8 из 15 |
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГЕОМЕТРИЯ И ГРАФИКА |
Модель HSV часто используется в программах компьютерной графики, так как удобна для человека. Следовательно необходимо развернуть трѐхмерное пространства HSV на двухмерный экран компьютера
Цветовое кольцо
Оттенок представляется в виде радужного кольца, а насыщенность и значение цвета выбираются при помощи вписанного в это кольцо треугольника. Его вертикальная ось, как правило, регулирует насыщенность, а горизонтальная позволяет изменять значение цвета. Таким образом, для выбора цвета нужно сначала указать оттенок, а потом выбрать нужный цвет из треугольника.
Цветовые пространства
Исходные (reference) цветовые пространства:
– CIE XYZ
– CIE L*a*b
стр. 9 из 15 |
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГЕОМЕТРИЯ И ГРАФИКА |
– CIE RGB (не используется)
Цветовые модели:
– RGB
– CMYK
– HSV
Производные цветовые пространства:
– sRGB (RGB)
– Adobe RGB (RGB)
Пространство sRGB
Создано Microsoft, Hewlett-Packard
Стандартизировано в 1996г.
На данный момент широко используется:
– Мониторы
– Фотоаппараты
Если для изображения не указано цветовое пространство, можно считать, что это sRGB
Недостатки: исходные цвета сильно внутри видимой человеком области
Пространство Adobe RGB
Разработано Adobe в 1998
Цель – иметь возможность работать на мониторе с большинством цветов, доступных в модели CMYK на принтерах
Более широкий диапазон передаваемых цветов (gamut)
Проблема: 8 бит на цвет может не хватать
стр. 10 из 15 |
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГЕОМЕТРИЯ И ГРАФИКА |
Цветовая температура
Цветовая температура (Тс) - характеристика хода интенсивности излучения источника света как функция длины волны в оптическом диапазоне.
Единицы измерения
Цветовая температура источника света:
характеризует спектральный состав излучения источника света;
является основой объективности впечатления от цвета отражающих объектов и источников света.
Шкала цветовых температур распространѐнных источников света
800 К - начало видимого темно-красного свечения раскалѐнных тел 2000 К - свет пламени свечи, 2360 К - лампа накаливания, вакуумная,
2800-2854 К - газонаполненные (газополные) лампы накаливания с вольфрамовой спиралью, 3200-3250 К - типичные киносъѐмочные лампы,
5500 К - дневной свет, прямой солнечный, 6500 К - стандартный источник дневного белого света, он близок к полуденному солнечному свету,
7500 К - дневной свет, с большой долей рассеянного от чистого голубого неба, 100000 К - цвет источника с «бесконечной температурой»
3.1. Аддитивная цветовая модель
3.2. Формирование собственных цветовых оттенков в модели RGB
3. Цвет в компьютерной графике
Те, кто занимается компьютерной графикой, должны четко различать не только цвета, но и тончайшие оттенки. Это очень важно, так как именно цвет несет большое количество информации, которая не менее важна, чем форма, масса и другие параметры каждого физического объекта.
Правильно подобранные цвета могут, как привлечь внимание к изображению, так и оттолкнуть от него. В зависимости от того, какой цвет видит человек, у него возникают различные эмоции, формирующие первое впечатление от объекта. Существует даже целая наука, изучающая влияние цвета на человека.
Итак, для чего же все-таки нужен цвет в компьютерной графике?
- Цвет несет в себе определенную информацию об объектах. Например, летом деревья зеленые, осенью - желтые. На черно-белой фотографии определить пору года практически невозможно, если на это не указывают какие-либо другие дополнительные факты.
- Цвет необходим для того, чтобы различать объекты.
- С его помощью можно одни части изображения выдвинуть на передний план, другие - увести в фон, акцентировав таким образом внимание на самом важном - композиционном центре.
- Без увеличения размера при помощи цвета можно передать некоторые детали изображения.
- В двухмерной графике (такую мы видим на мониторе, так как он не обладает третьим измерением) именно при помощи цвета, точнее оттенков, имитируется объем.
- И наконец, цвет используется для привлечения внимания зрителя, создания красочного и интересного изображения.
- Конечно, можно создавать и великолепные черно-белые творения, но так как мы живем в цветном мире, намного привычнее видеть цветные предметы.
Цвет - это субъективная характеристика объекта. Цвет существует только при наличии наблюдателя. Реальный свет (например, дневной) представляет собой электромагнитное излучение, смесь различных световых волн, то есть имеет различный спектр. Человеческий глаз улавливает световые волны в определенном интервале длин и интенсивностей (видимый спектр излучения). Затем мозг обрабатывает поступающие сигналы, воспринимая предметы различным образом окрашенными в зависимости от сочетания длин волн и их интенсивности. Таким образом, реально цвет относится не только к самому предмету, но и к особенностям физиологического восприятия конкретного наблюдателя. Аналогично вкусу, обонянию, слуху и другим органам чувств восприятие цвета так же изменяется от человека к человеку. Мы можем воспринимать цвет как теплый, холодный, тяжелый, легкий, мягкий, сильный, возбуждающий, расслабляющий, блестящий или тусклый. Однако, в каждом конкретном случае восприятие зависит от культуры человека, языка, возраста, пола, условий жизни и предыдущего опыта. Два человека никогда не будут одинаково воспринимать один и тот же физический цвет. Люди отличаются друг от друга даже по чувствительности к диапазону видимого света. На восприятие влияют и размеры объекта.
Мир, окружающий нас, полон всевозможных цветов и цветовых оттенков. С развитием многих отраслей производства, в том числе, полиграфии, компьютерных технологий, появилась необходимость объективных способов описания и обработки цвета.
Цвета в природе редко являются простыми. Большинство цветов получаются смешением каких-либо других. Например, сочетание красного и синего даёт пурпурный цвет, синего и зелёного - голубой. Таким образом, путём смешения, из небольшого количества простых цветов, можно получить множество (и при чём довольно большое) сложных (составных). Поэтому для описания цвета вводится понятие цветовой модели - как способа представления большого количества цветов посредством разложения его на простые составляющие.
В каждой модели определенный диапазон цветов представляют в виде 3D пространства. В этом пространстве каждый цвет существует в виде набора числовых координат. Этот метод дает возможность передавать цветовую информацию между компьютерами, программами и периферийными устройствами.
Возникает естественный вопрос: а зачем всё это надо? Не проще ли было взять и представить в цветовой модели не основные, а все возможные цвета? Конечно, нет! Дать описание каждого цвета в отдельности очень сложно, особенно сейчас, когда на экране монитора мы имеем возможность видеть не сотни, не тысячи, а 4 миллиарда цветов (точнее, цветов и цветовых оттенков)! Попробуйте описать каждый цвет в отдельности. Таким образом, цветовые модели - это почти совершенный способ для описания цветов особенно в компьютерных технологиях и полиграфии. Почему же почти? Дело в том, что не любой цвет можно представить в виде комбинации основных. Это является основной проблемой цветовых моделей.
3.1. Аддитивная цветовая модель
Излучаемый цвет – это свет, выходящий из источника, например, солнца, лампочки или экрана монитора. Излучаемый цвет, идущий непосредственно от источника к глазу, сохраняет в себе все цвета, из которых он создан. При отражении от объекта свет может измениться. Любой предмет, не являющийся источником света, частично отражает и частично поглощает падающий на него свет.
Подобно солнцу и другим источникам освещения, монитор излучает свет. Бумага, на которой печатается изображение, отражает свет. Так как цвет может получиться в процессе излучения и в процессе отражения, то существует два противоположных метода его описания: аддитивная и субтрактивная цветовые модели.
Излучаемый свет описывается с помощью аддитивной цветовой модели.
Если с близкого расстояния (а еще лучше - с помощью лупы) посмотреть на экран работающего монитора или телевизора, то нетрудно увидеть множество мельчайших точек красного, зеленого и синего цветов, так называемых основных, базовых или первичных цветов. Дело в том, что каждый видеопиксель на цветном экране – это совокупность трех точек разного цвета: красного, зеленого и синего. Так как они очень малы, наши глаза смешивают три цвета в один. Таким образом, соседние разноцветные точки сливаются, формируя другие цвета. Примером этого может служить вращающийся диск, половина которого покрашена в желтый цвет, а другая в синий. При быстром вращении диска, мы видим зеленый цвет, но синий и желтый не видим.
Красный + зеленый = желтый
красный + синий = пурпурный
зеленый +синий = голубой
красный + зеленый + синий = белый
Изменяя интенсивность свечения цветных точек, можно создать большое многообразие оттенков.
Таким образом, аддитивный (от английского add – присоединять) цвет получается при объединении (суммировании) трех основных цветов – красного, зеленого и синего. Если интенсивность каждого из них достигает 100%, то получается белый цвет. Отсутствие всех трех цветов дает черный цвет.
Аддитивную цветовую модель, используемую в компьютерных мониторах, принято обозначать аббревиатурой RGB (ргб ИЛИ ржб) (Red (ред) – красный, Green (Грин) – зеленый, Blue (блу) – синий).
3.2. Формирование собственных цветовых оттенков в модели RGB
Модель RGB описывает излучаемые цвета. Базовыми компонентами модели являются три цвета лучей - красный, зеленый, синий. При восприятии цвета человеком именно они воспринимаются глазом. Остальные цвета представляют собой смешение трех базовых в разных соотношениях. При сложении (смешении) двух лучей основных цветов результат - светлее составляющих. Цвета этого типа называются аддитивными. RGB - трехканальная цветовая модель. В модели RGB кодирует изображение сканер и отображает экран монитора.
Ахроматический и хроматический цвет
Так как свет является еще и волной, то, разумеется, он имеет длину волны. Длин волн бесконечное множество, но наш глаз в состоянии регистрировать только их небольшой диапазон, известный под названием видимой части спектра.
Цвет имеет психофизиологическую и психофизическую природу. Цвет предмета зависит не только от самого предмета, но также и от источника света, освещающего предмет и от системы человеческого видения. Некоторые предметы отражают свет (стена), другие его пропускают (стекло). Если поверхность, которая отражает только синий цвет, освещается красным светом, она будет казаться черной. Если источник зеленого света рассматривается через стекло, пропускающее только красный свет, он тоже покажется черным.
Зрительная система человека воспринимает электромагнитную энергию с длинами волн от 400 до 700 нм как видимый свет.
Источник или объект являются ахроматическим, если наблюдаемый свет содержит все видимые длины волн в примерно равных количествах. Ахроматический источник кажется белым, а свет от него - белым, черным или серым. Ахроматический свет - это то, что мы видим на экране черно-белого телевизора. Белыми выглядят объекты, ахроматически отражающие более 80 % света белого источника, а черными - менее 3 %. Промежуточные значения дают различные оттенки серого цвета.
Ахроматический свет характеризуется интенсивностью (яркостью). Свет называется хроматический, если он содержит длины волн в произвольных неравных количествах. Если длины волн сконцентрированы у верхнего края видимого спектра, то свет кажется красным, если у нижнего - то синим.
Но сама по себе эл/м энергия определенной длины волны не имеет никакого цвета. Ощущение цвета возникает в результате преобразования физических явлений в глазу или мозге человека. Объект кажется цветным, если он отражает или пропускает свет лишь в узком диапазоне длин волн и поглощает все остальные.
Психофизиологическое представление света опр-ся:
1) цветовой тон
2) насыщенность
3) светлота
Цветовой тон позволяет различать цвета (к, з, с).
Насыщенность определяет степень ослабления (разбавления) данного цвета белым цветом и позволяет различать розовый цвет от красного, голубой от синего. У чистого цвета насыщенность = 100 % и уменьшается по мере добавления белого. Насыщенность ахроматического цвета = 0 %.
Светлота - это интенсивность, которая не зависит от цветового тона и насыщенности. Ноль - значит черный, более высокие значения характеризуют более яркие значения.
Психофизические определяющие цвета:
1) доминирующая длина волны
2) чистота
3) яркость.
Доминирующая длина волны определяет монохроматический цвет (рис. б ) Þ l = 520 нм ® зеленый.
Чистота характеризует насыщенность цвета и определяется отношением Е 1 и Е 2 . Е 1 - характеризует степень разбавления чистого цвета с l = 520 нм белым. Если Е 1 стремится к 0, то чистота - к 100 %, если Е 1 стремится к Е 2 , то свет - к белому и чистота - к 0.
Яркость пропорциональна энергии света и рассматривается как интенсивность на единицу площади. Для ахроматического света яркость есть интенсивность.
Художники используют другие характеристики цвета:
1) разбелы
2) оттенки
Разбелы получаются при добавлении в чистый цвет белого, оттенки - черного, тона - и черного, и белого.
Обычно встречаются не чистые монохроматические цвета, а их смеси. В основе 3-х компонентной теории света лежит предположение о том, что в сетчатке глаза есть 3 типа чувствительных к свету колбочек, которые воспринимают соответственно зеленый, красный и синий цвета. Относительная чувствительность глаза максимальна для зеленого цвета и минимальна для синего. Если на все 3 типа колбочек воздействует одинаковый уровень энергетической яркости (энергия в единицу t), то свет кажется белым.
Цветовые модели
RGB цвета используются в телевидении и выводе изображений на экран монитора. Эти три цвета дают возможность воспроизвести большинство цветов, которые вы можете видеть. Большинство, но не все. Цвета, производимые монитором, не являются абсолютно чистыми, поэтому и все производимые ими оттенки не могут быть воспроизведены с точностью.
Более того, яркостный диапазон мониторов сильно ограничен. Человеческий глаз в состоянии различать гораздо больше градаций яркости. Максимальная яркость монитора едва ли соответствует и половине максимальной яркости, которую наш глаз способен различить. Это часто может привести к сложностям при отображении сцен из реального мира, которые содержат широкие вариации яркости. Например, фотография пейзажа с фрагментом неба и участками земли находящимися в полной тени.
При моделировании света на компьютере все три цвета обрабатываются отдельно, за исключением каких-либо нестандартных ситуаций, когда цвета не влияют друг на друга. Иногда полноцветные изображения получают путем последовательного просчета красного, зеленого и синего изображений и их дальнейшим комбинированием.
Обычно компьютеры оперируют со светом в виде величин, определяющих количество содержащихся в нем красного, зеленого и синего цветов. Например, белый - это равное количество всех трех, Желтый - равное количество красного и зеленого и полное отсутствие синего. Все цветовые оттенки можно визуально представить в виде куба, где по осям координат будут отложены соответствующие величины трех исходных цветов. Это и есть трехцветная световая модель (RGB Model).
Системы смешивания основных цветов
1. Аддитивная - красный зеленый синий (RGB)
2. Субтрактивная - голубой (cyan, точнее сине-зеленый),
пурпурный (magenta), желтый (yellow)
Цвета одной системы являются дополнением к другой. Дополнительный цвет - это разность белого и данного цвета (Г=Б-К, П=Б-З, Ж=Б-С).
Аддитивная цветовая система удобна для светящихся поверхностей (экраны ЭЛТ, цветовые лампы). Субтрактивная цветовая система используется для отражающих поверхностей (цветные печатные устройства, типографские краски, несветящиеся экраны).
Уравнение монохроматического цвета:
где C - цвет,
R, G, B - 3 потока света,
r, g, b - относительные количества потоков света (от 0 до 1).
Соотношение между двумя цветовыми системами можно выразить математически:
Цветовые пространства RGB и CMY 3-хмерны и условно их можно изобразить в виде куба;
Началом координат в цветном кубе RGB является черный цвет, а в CMY - белый. Ахроматические, т.е. серые цвета, в обеих моделях расположены по диагонали от Б до Ч.
Модели RGB и CMY аппаратно-ориентированы. Модель HVS ориентирована на пользователя. В основе лежат интуитивно принятые художниками понятия разбела, оттенка, тона.
Цветовая модель HSV
Смит предложил построить модель субъективного восприятия в виде объемного тела HVS
(Н - цветовой тон (Hue)
S - насыщенность (Saturation)
V - светлота (Value))
Если цветной куб RGB спроецировать на плоскость вдоль диагонали Б-Ч, получается шестиугольник с основными и дополнительными цветами в вершинах. Интенсивность возрастает от 0 в вершине до 1 на верхней грани. Насыщенность определяется расстоянием от оси, а тон - углом (0° - 360°), отсчитываемым от красного цвета. Насыщенность меняется от 0 на оси до 1 на границе шестиугольника.
Насыщенность зависит от цветового охвата (расстояние от оси до границы). При S=1 цвета полностью насыщены. Ненулевая линейная комбинация трех основных цветов не может быть полностью насыщена. Если S=0, Н неопределен, т.е. лежит на центральной оси и является ахроматическим (серым)
Чистые цвета у художников: V=1, S=1
Разбелы - цвета с увеличенным содержанием белого, т.е. с меньшим S (лежат на плоскости шестиугольника)
Оттенки - цвета с уменьшенным V (ребра от вершины)
Тон - цвета с уменьшенным S и с уменьшенным V.
Модель HLS
В основе цветной модели HLS, применяемой фирмой Textronix, лежит цветная система Оствальда.
Н - цветовой тон (Hue)
L - светлота (Lightness)
S - насыщенность (Saturation)
Модель п.с. двойной шестигранный конус. Цветной тон задается углом поворота вокруг вертикальной оси относительно красного цвета. Цвета следуют по периметру, как и в модели HVS. HLS - результат модификации HSV за счет вытягивания вверх белого цвета. Дополнение каждого цвета отстоит на 180° от этого цветового тона. Насыщенность измеряется в радиальном направлении от 0 до 1. светлота измеряется вертикально по оси от 0 (Ч) до 1 (Б).
Для ахроматических цветов S=0, а максимально насыщенные цветовые тона получаются при S=1, L=0,5.
Цилиндрическая цветовая модель
Используется цветовая система Манселла, основанная на наборе образцов света. Система Манселла - это стандарт восприятия. Цвет определяется:
Цветовым тоном
Насыщенностью
Светлотой
На центральной оси - значение интенсивности меняется от черного к белому. Цветовой тон определяется углом. Главное преимущество - одинаковые приращения насыщенности, тона и интенсивности вызывают ощущения одинаковых изменений при восприятии.
Цветовая гармония
Цветные дисплеи и устройства получения твердых копий позволяют создавать широкий диапазон цветов. Одни цветовые сочетания хорошо гармонируют друг с другом, другие - взаимно несовместимы. Как отбирать цвета, чтобы они гармонировали друг с другом?
Выбор цветов обычно определяется путем проведения гладкой траектории в цветовом пространстве и/или путем ограничения диапазона используемых цветов в цветовой модели плоскостями (или шестигранными конусами) постоянной насыщенности
Использование цветов одного и того же цветового тона
Использование двух дополнительных цветов и их смесей
Использование цветов постоянной светлоты
При выборе цветов случайным образом, они будут выглядеть слишком яркими. Смит провел эксперимент, где сетка 16´16 заполнялась цветами случайным образом и имела мало привлекательный вид.
Если рисунок включает несколько цветов, то в качестве фона надо использовать дополнение к одному из них. Если цветов много, то фон лучше сделать серым.
Если 2 примыкающих друг к другу цвета не гармонизируют, их можно разделить черной линией.
С физиологической точки зрения низкая чувствительность глаза к синему цвету означает, что на черном фоне трудно различить синий цвет. Отсюда следует, что желтый цвет (дополнительный к синему) трудно различить на белом (дополнительный к черному).
СЖАТИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Основные сведения
Стоит начать считывать цветные или полутоновые изображения сканером в ½ формата А4 и 100 Мб-ый диск будет заполнен меньше чем за 1 час (размер графического файла от 400 Кб до нескольких Мб). А сравнимый по качеству с телепередачей компьютерный фильм требует хранения данных объемом около 22 Мб/сек. Поэтому остро встала проблема сжатия и восстановления информации. Но сжатие файла сильно зависит от его структуры.
Принципиально сжатие делят на архивацию и компрессию. Первое - без потери качества, второе - с потерями. Разница между этими способами в том, что второй не подразумевает полного восстановления исходного сохраненного изображения в полном качестве. Но каким бы не был алгоритм компрессии данных, для работы с ним файл нужно проанализировать и распаковать, т. е. вернуть данные в исходный незапакованный вид для их быстрой обработки (обычно это происходит прозрачно для пользователя).
Архивация, или сжатие графических данных, возможно как для растровой, так и для векторной графики. При этом способе уменьшения данных, программа анализирует наличие в сжимаемых данных некоторых одинаковых последовательностей данных, и исключает их, записывая вместо повторяющегося фрагмента ссылку на предыдущий такой же (для последующего восстановления). Такими одинаковыми последовательностями могут быть пикселы одного цвета, повторяющиеся текстовые данные, или некая избыточная информация, которая в рамках данного массива данных повторяется несколько раз. Например, растровый файл, состоящий из подложки строго одного цвета (например, серого), имеет в своей структуре очень много повторяющихся фрагментов.
Компрессия (конвертирование) данных - это способ сохранения данных таким образом, при использовании которого не гарантируется (хотя иногда возможно) полное восстановление исходных графических данных. При таком способе хранения данных обычно графическая информация немного "портится" по сравнению с оригинальной, но этими искажениями можно управлять, и при их небольшом значении ими вполне можно пренебречь. Обычно файлы, сохраненные с использованием этого способа хранения, занимают значительно меньше дискового пространства, чем файлы, сохраненные с использованием простой архивации (сжатия). Суть методов сжатия с потерей качества - ликвидировать те места, которые человеческим глазом не воспринимаются или воспринимаются не очень хорошо, другими словами, практически не заметны. Чем выше степень компрессии, тем больше ущерб качеству. Оптимальное решение выбирается для конкретного случая с учетом применения.
Иногда не стоит прибегать к компрессии: проще уменьшить избыточный размер, цветность или разрешение. Результат тот же - уменьшение размера.
Понятия света и цвета в компьютерной графике являются основополагающими. Обычно свет представляет собой непрерывный поток волн с различными длинами и различными амплитудами. Такой свет можно характеризовать энергетической спектральной кривой (рис. 2.2), где само значение функции представляет собой вклад волн с длиной волны в общий волновой поток.
Рис. 2.2. Спектральная кривая света
Ощущение цвета возникает в мозге при возбуждении и торможении цветочувствительных клеток - рецепторов глазной сетчатки человека, колбочках. У человека существует три вида колбочек - «красные», «зелёные» и «синие», соответственно. Светочувствительность колбочек невысока, поэтому для хорошего восприятия цвета необходима достаточная освещённость или яркость. Каждое цветовое ощущение у человека может быть представлено в виде суммы ощущений этих трех цветов.
Основными характеристиками цвета являются цветовой тон, насыщенность, яркость.
Определение 2.6. Цветовой тон – атрибут визуального восприятия, согласно которому область кажется обладающей одним из воспринимаемых цветов (красного(R ) , зелёного(G ) или синего(В )). Является основной цветовой характеристикой.
Определение 2.7. Насыщенность – характеристика, выражаемая долей присутствия белого цвета. В идеально чистом цвете примесь белого отсутствует. Если, например, к чистому красному цвету добавить в определенной пропорции белый цвет, то получится светлый бледно-красный цвет.
Определение 2.8. Яркость – характеристика, определяемая энергией, интенсивностью светового излучения. Выражает количество воспринимаемого света.
Обыкновенный цвет (солнца, лампочки) состоит из всех цветов радуги. Если пропустить его через призму, то он разложится в цветной спектр радуги. Эти цвета представляют частоты электромагнитных колебаний, которые представляются невооруженным глазом.
Различают излучаемый и отраженный свет. Излучаемый свет - свет, выходящий из активного источника, содержит в себе все цвета. Отраженный свет может содержать все цвета, их комбинацию или только один цвет. Так как цвет может получиться в процессе излучения и поглощения, то существуют два противоположных метода его описания:
Система аддитивных цветов;
Система субтрактивных цветов.
Цветовая модель RGB. Аддитивный цвет получается при соединении лучей света разных цветов. Отсутствие всех цветов в этой системе есть черный цвет. Присутствие всех цветов – белый цвет. Эта система работает с излучаемым цветом, например, от монитора компьютера. В этой системе используется три основных цвета: красный, зеленый, синий (RGB). Система цветов RGB. Наиболее распространена и популярна. Используется в мониторах.
Цветовая модель CMY. В системе субтрактивных цветов происходит обратный процесс. Определенный цвет получается вычитанием других цветов из общего луча света. Белый цвет появляется в результате отсутствия всех цветов, тогда как их присутствие дает черный цвет. Эта система работает с отраженным цветом.
В системе субтрактивных цветов основными являются голубой, пурпурный, желтый (CMY – Cyan, Magenta, Yellow). При их смешении предполагается, что должен получиться черный цвет. В действительности типографские краски поглощают свет не полностью, и поэтому комбинация трех основных цветов выглядит темно-коричневой. Эта система используется в основном в полиграфии. Преобразование рисунков из системы RGB в систему CMYK сталкивается с рядом проблем. Основная сложность в том, что в разных системах цвета могут меняться. В этих системах различна природа получения цветов, и поэтому то, что отображается на экране монитора никогда нельзя в точности повторить при печати. Процесс преобразования усложняется необходимостью корректировать несовершенство типографских красок.
Цветовая модель HSV. Рассмотренные выше цветовые модели так или иначе используют смешение некоторых основных цветов. Цветовую модель HSV, можно отнести к альтернативному типу.
Рис. 2.3. Цветовая модель HSV
В модели HSV (рис. 2.3) цвет описывается следующими параметрами: цветовой тон H (Hue), насыщенность S (Saturation), яркость, светлота V(Value). Значение H измеряется в градусах от 0 до 360, поскольку здесь цвета радуги располагаются по кругу в таком порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Значения S и V находятся в диапазоне (0…1).
Примеры кодирования цветов для модели HSV. При S=0 (т.е. на оси V) - серые тона. Значение V=0 соответствует черному цвету. Белый цвет кодируется как S=0, V=1. Цвета, расположенные по кругу напротив друг друга, т.е. отличающиеся по H на 180 º, являются дополнительными. Задание цвета с помощью параметров HSV достаточно часто используется в графических системах, причем обычно показывается развертка конуса.
Цветовая модель HSV удобна для применения в тех графических редакторах, которые ориентированы не на обработку готовых изображений, а на их создание своими руками. Существуют такие программы, которые позволяют имитировать различные инструменты художника (кисти, перья, фломастеры, карандаши), материалы красок (акварель, гуашь, масло, тушь, уголь, пастель) и материалы полотна (холст, картон, рисовая бумага и пр.).
Существуют и другие цветовые модели, построенные аналогично HSV, например модели HLS (Hue, Lighting, Saturation) и HSB также использует цветовой конус. В модели HSB тоже три компонента: оттенок цвета (Hue), насыщенность цвета (Saturation) и яркость цвета (Brightness). Регулируя их, можно получить столь же много произвольных цветов, как и при работе с другими моделями.
Цветовая модель Lab. Все вышеперечисленные модели описывают цвет тремя параметрами и в достаточно широком диапазоне. Теперь рассмотрим цветовую модель, в которой цвет задается одним числом, но уже для ограниченного диапазона цветов (оттенков).
На практике часто используются черно-белые (серые) полутоновые изображения. Серые цвета в модели RGB описываются одинаковыми значениями компонентов, т.е. r i = g i = b i . Таким образом, для серых изображений нет необходимости использовать тройки чисел - достаточно и одного числа. Это позволяет упростить цветовую модель. Каждая градация определяется яркостью Y. Значение Y=0 соответствует черному цвету, максимальное значение Y – белому.
Для преобразования цветных изображений, представленных в системе RGB, в градации серого используют соотношение
Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B,
где коэффициенты при R, G и B учитывают различную чувствительность зрения к соответствующим цветам и, кроме того, их сумма равна единице.
Очевидно, что обратное преобразование R =Y, G =Y, B =Y не даст никаких других цветов, кроме градаций серого.
Разнообразие моделей обусловлено различными областями их использования. Каждая из цветовых моделей была разработана для эффективного выполнения отдельных операций: ввода изображений, визуализаций на экране, печати на бумаге, обработки изображений, сохранения в файлах, колориметрических расчетов и измерений. Преобразование из одной модели в другую может привести к искажению цветов изображения.
Контрольные вопросы и задания
1. Какие виды представления видеоинформации Вы знаете?
2. Что представляет собой битовая глубина?
3. Что такое разрешающая способность растра?
4. Какие характеристики влияют на размер изображения?
5. В чем особенность масштабирования растровых и векторных изображений?
6. Назовите основные характеристики цвета?
7. Какие цветовые системы Вы знаете?
8. Дайте определение аддитивной системе цветов. В каких устройствах она используется?
9. Что представляет собой система субтрактивных цветов?
10. Перечислите альтернативные цветовые системы.
В этом разделе:
излучаемый и отражённый свет в компьютерной графике;
формирование цветовых оттенков на экране монитора;
формирование цветовых оттенков при печати изображений.
Для описания цветовых оттенков, которые могут быть воспроизведены на экране компьютера и на принтере, разработаны специальные средства - цветовые модели (или системы цветов). Чтобы успешно применять их в компьютерной графике, необходимо:
понимать особенности каждой цветовой модели
уметь определять тот или иной цвет, используя различные цветовые модели
понимать, как различные графические программы решают вопрос кодирования цвета
понимать, почему цветовые оттенки, отображаемые на мониторе, достаточно сложно точно воспроизвести при печати.
Мы видим предметы потому, что они излучают или отражают свет.
Свет - электромагнитное излучение.
Цвет характеризует действие излучения на глаз человека. Таким образом, лучи света, попадая на сетчатку глаза, производят ощущение цвета.
Излучаемый свет - это свет, выходящий из источника, например, Солнца, лампочки или экрана монитора.
Отражённый свет - это свет, «отскочивший» от поверхности объекта. Именно его мы видим, когда смотрим на какой-либо предмет, не являющийся источником света.
Излучаемый свет, идущий непосредственно от источника к глазу, сохраняет в себе все цвета, из которых он создан. Но этот свет может измениться при отражении от объекта (рис. 1).
Рис. 1. Излучение, отражение и поглощение света
Подобно Солнцу и другим источникам освещения, монитор излучает свет. Бумага, на которой печатается изображение, отражает свет. Так как цвет может получиться в процессе излучения и в провесе отражения, то существуют два противоположных метода его описания: системы аддитивных и субтрактивных цветов.
Система аддитивных цветов
Если с близкого расстояния (а ещё лучше с помощью лупы) посмотреть на экран работающего монитора или телевизора, то нетрудноувидеть множество мельчайших точек красного (Red), зелёного (Green) и синего (Blue) цветов. Дело в том, что на поверхности экранaрасположены тысячи фосфоресцирующих цветовых точек, которые бомбардируются электронами с большой скоростью. Цветовые точки излучают свет под воздействием электронного луча. Так как размеры этих точек очень малы (около 0,3 мм в диаметре), соседние разноцветные точки сливаются, формируя все другие цвета и оттенки, например:
красный + зелёный = жёлтый,
красный + синий = пурпурный,
зелёный + синий = голубой,
красный + зеленый + синий = белый.
Компьютер может точно управлять количеством света, излучаемого через каждую точку экрана. Поэтому, изменяя интенсивность свечения цветных точек, можно создать большое многообразие оттенков.
Таким образом, аддитивный (add - присоединять) цвет получается при объединении (суммировании) лучей трёх основных цветов -красного, зелёного и синего. Если интенсивность каждого из них достигает 100%, то получается белый цвет. Отсутствие всех трёх цветов даёт чёрный цвет. Систему аддитивных цветов, используемую в компьютерных мониторах, принято обозначать аббревиатурой RGB.
В большинстве программ для создания и редактирования изображений пользователь имеет возможность сформировать свой собственный цвет (в дополнение к предлагаемым палитрам), используя красную, зелёную и синюю компоненты. Как правило, графические программы позволяют комбинировать требуемый цвет из 256 оттенков красного, 256 оттенков зелёного и 256 оттенков синего. Как нетрудно подсчитать, 256 х 256 х 256 = 16,7 миллионов цветов. Вид диалогового окна для задания произвольного цветового оттенка в разных программах может быть различным.
Таким образом, пользователь может выбрать готовый цвет из встроенной палитры или создать свой собственный оттенок, указав в полях ввода значения яркостей R, G и В для красной, зелёной и синей цветовых составляющих в диапазоне от 0 до 255.
В программе CorelDRAW! цветовая модель RGB дополнительно представляется в виде трёхмерной системы координат, в которой нулевая точка соответствует чёрному цвету. Оси координат соответствуют основным цветам, а каждая из трёх координат в диапазоне от 0 до 255 отражает «вклад» того или иного основного цвета в результирующий оттенок. Перемещение указателей («ползунков») по осям системы координат влияет на изменение значений в полях ввода, и наоборот. На диагонали, соединяющей начало координат и точку, в которой все составляющие имеют максимальный уровень яркости, располагаются оттенки серого цвета - от чёрного до белого (оттенки серого цвета получаются при равных значениях уровней яркости всех трёх составляющих).
Так как бумага не излучает свет, цветовая модель RGB не может быть использована для создания изображения на печатаемой странице.
Система субтрактивных цветов
В процессе печати свет отражается от листа бумаги. Поэтому для печати графических изображений используется система цветов,работающая с отраженным светом - система субтрактивных цветов (subtract - вычитать).
Белый цвет состоит из всех цветов радуги. Если пропустить луч света через простую призму, он разложится в цветной спектр. Красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый цвета образуют видимый спектр света. Белая бумага при освещении отражает все цвета, окрашенная же бумага поглощает часть цветов, а остальные - отражает. Например, листок красной бумаги, освещённый белым светом, выглядит красным именно потому, что такая бумага поглощает все цвета, кроме красного. Та же красная бумага, освещённая синим цветом, будет выглядеть чёрной, так как синий цвет она поглощает.
В системе субтрактивных цветов основными являются голубой (Cyan), пурпурный (Magenta) и жёлтый (Yellow). Каждый из них поглощает (вычитает) определённые цвета из белого света, падающего на печатаемую страницу. Вот как три основных цвета могут быть использованы для получения чёрного, красного, зелёного и синего цветов:
голубой + пурпурный + жёлтый = чёрный,
голубой + пурпурный = синий,
жёлтый + пурпурный = красный,
жёлтый + голубой = зелёный.
Смешивая основные цвета в разных пропорциях на белой бумаге, можно создать большое многообразие оттенков.
Белый цвет получается при отсутствии всех трёх основных цветов. Высокое процентное содержание голубого, пурпурного и жёлтого образует чёрный цвет. Точнее, чёрный цвет должен получиться теоретически, в действительности же из-за некоторых особенностей типографских красок смесь всех трёх основных цветов даёт грязно-коричневый тон, поэтому при печати изображения добавляется ещё чёрная краска (Black ).
Систему субтрактивных цветов обозначают аббревиатурой CMYK (чтобы не возникла путаница с Blue , для обозначения Black используется символ К).
Процесс четырёхцветной печати можно разделить на два этапа.
1. Создание на базе исходного рисунка четырёх составляющих изображений голубого, пурпурного, жёлтого и чёрного цветов.
2. Печать каждого из этих изображений одного за другим на одном и том же листе бумаги.
Разделение цветного рисунка на четыре компоненты выполняет специальная программа цветоделения. Если бы принтеры использовали систему CMY (без добавления чёрной краски), преобразование изображения из системы RGB в систему CMY было бы очень простым: значения цветов в системе CMY - это просто инвертированные значения системы RGB . На схеме «цветовой круг» (рис. 2) показана взаимосвязь основных цветов моделей RGB и CMY. Смесь красного и зелёного даёт жёлтый, жёлтого и голубого - зелёный, красного и синего - пурпурный и т. д.
Таким образом, цвет каждого треугольника на рис. 2 определяется как сумма цветов смежных к нему треугольников. Но из-за необходимости добавлять чёрную краску, процесс преобразования становится значительно сложнее. Если цвет точки определялся смесью цветовRGB , то в новой системе он может определяться смесью значений CMY плюс ещё включать некоторое количество чёрного цвета. Для преобразования данных системы RGB в систему CMYK программа цветоделения применяет ряд математических операций. Если пиксель в системе RGB имел чистый красный цвет (100% R, 0% G, 0% В), то в системе CMYK он должен иметь равные значения пурпурного и жёлтого (0% С, 100% М, 100% Y, 0% К).
В приведённой здесь таблице для примера представлено описание нескольких цветов с использованием моделей RGB и CMYK (диапазон изменения составляющих цвета - от 0 до 255).
Таблица 1
Важно то, что вместо сплошных цветных областей программа цветоделения создаёт растры из отдельных точек, причём эти точечные растры слегка повёрнуты друг относительно друга так, чтобы точки разных цветов не накладывались одна поверх другой, а располагались рядом.
Маленькие точки различных цветов, близко расположенные друг к другу, кажутся сливающимися вместе. Именно так наши глаза воспринимают результирующий цвет.
Таким образом, система RGB работает с излучаемым светом, а CMYK - с отражённым. Если необходимо распечатать на принтере изображение, полученное на мониторе, специальная программа выполняет преобразование одной системы цветов в другую. Но в системах RGB и CMYK различна природа получения цветов. Поэтому цвет, который мы видим на мониторе, достаточно трудно точно повторить при печати. Обычно на экране цвет выглядит несколько ярче по сравнению с тем же самым цветом, выведенным на печать.
Всё множество цветов, которые могут быть созданы в цветовой модели, называется цветовым диапазоном . Диапазон RGB шире диапазона CMYK . Это означает, что цвета, созданные на экране, не всегда можно воспроизвести при печати. Поэтому в некоторых графических программах предусмотрены диапазонные предостерегающие указатели. Они появляются в том случае, если цвет, созданный в модели RGB, выходит за рамки диапазона CMYK .
Существуют программы (например, CorelDraw ! и Adobe Pho toShop ), которые позволяют создавать на экране рисунки не только в системе RGB, но и в цветах CMYK . Для создания произвольного цвета в системе CMYK необходимо указать процентное содержание каждого основного цвета аналогично тому, как это делается при работе с RGB-моделью. Тогда, глядя на экран, пользователь сможет увидеть, как рисунок будет выглядеть при печати.
Система «Тон - Насыщенность - Яркость»
Системы цветов RGB и CMYK базируются на ограничениях, накладываемых аппаратным обеспечением (мониторами компьютеров и типографскими красками). Более интуитивным способом описания цвета является его представление в виде тона (Hue ), насыщенности(Saturation ) и яркости (Brightness ). Для такой системы цветов используется аббревиатура HSB . Тон - конкретный оттенок цвета: красный, жёлтый, зелёный, пурпурный и т. п. Насыщен ность характеризует «чистоту» цвета: уменьшая насыщенность, мы «разбавляем» его белым цветом. Яркость же зависит от количества чёрной краски, добавленной к данному цвету: чем меньше черноты, тем больше яркость цвета. Для отображения на мониторе компьютера система HSB преобразуется в RGB, а для печати на принтере - в систему CMYK . Можно создать произвольный цвет, указав в полях ввода Н, S и В значения для тона, насыщенности и яркости из диапазона от 0 до 255.
Кроме того, пользователь может выбрать цветовой тон, щёлкнув мышью в соответствующей точке цветового поля.
